1.4　本質(zhì)安全指數(shù)評價法

本質(zhì)安全設(shè)計的研究主要集中在前期的流程設(shè)計中，但是絕對安全的過程是不存在的，所以，人們需要建立合適的評價方法和指標(biāo)體系，能夠?qū)崿F(xiàn)對化工過程本質(zhì)安全化程度的評估，把對安全、健康、環(huán)境的影響進(jìn)行量化。目前，國內(nèi)外有很多學(xué)者在從事該領(lǐng)域的研究工作，并取得了大量成果，其中比較有代表性的方法包括：PIIS、ISI、INSET、EHS、i-Safe、FBISI和I2SI等[2，16，17]。

PIIS評價法：Edwards等[18]在1993年提出了本質(zhì)安全原型指標(biāo)法PIIS（Prototype Index for Inherent Safety），是世界上第一個針對本質(zhì)安全開發(fā)的指數(shù)型評價方法。該方法將本質(zhì)安全指標(biāo)分為兩類：一類是化學(xué)物質(zhì)指數(shù)，包括易燃性、爆炸性和毒性；另一類是工藝過程指數(shù)，包括存儲量、溫度、壓力和產(chǎn)率等。其中，每一個指數(shù)可以分為10個子區(qū)間，每一個子區(qū)間可以在數(shù)值上進(jìn)行評分，通過計算每條路線過程分和化學(xué)分之和得到該路線的總分值。在PIIS方法中，分值最高的路線被認(rèn)為是最不安全的路線。PIIS法的目的是在概念設(shè)計階段選擇本質(zhì)安全性較高的流程，對在過程設(shè)計早期獲取本質(zhì)安全信息是具有實際意義的。并且，該方法能在過程詳細(xì)設(shè)計數(shù)據(jù)未知的情況下使用，其實用性是比較廣泛的。該方法的缺點(diǎn)是沒有綜合考慮過程的環(huán)境、健康、安全危害，指標(biāo)相對比較簡單。

ISI評價法：本質(zhì)安全指標(biāo)法ISI（Inherent Safety Index）由Heikkil?等[19]在1996年提出。該方法在保持PIIS基本結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上，擴(kuò)大了指標(biāo)選取范圍。其中化學(xué)類本質(zhì)安全指標(biāo)包括主反應(yīng)熱、潛在的副反應(yīng)熱、易燃性、爆炸性、毒性、腐蝕性和化學(xué)品的相互作用。過程本質(zhì)安全指標(biāo)包括存儲量、溫度、壓力、工藝設(shè)備安全和過程結(jié)構(gòu)安全。總的本質(zhì)安全指標(biāo)是化學(xué)類和過程類指標(biāo)之和。ISI的計算是基于最壞的情況，與PIIS一樣，較低的指數(shù)值代表了相對本質(zhì)安全的過程。ISI方法也是適用于概念設(shè)計階段的指標(biāo)型方法，相比于PIIS方法，ISI增加了反應(yīng)危害和過程、結(jié)構(gòu)危害的本質(zhì)安全考慮，從而對過程的把握更加全面。其中，設(shè)備子指標(biāo)是通過事故統(tǒng)計和布局?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行確定的，過程結(jié)構(gòu)安全是以系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)，結(jié)合以往設(shè)計案例數(shù)據(jù)，采用遺傳算法進(jìn)行確定的。該方法的缺點(diǎn)是指標(biāo)權(quán)重和等級劃分比較主觀，所得結(jié)果之間具有差異性，并且不具有可比性。

INSET[20]工具箱：是由歐盟資助，針對本質(zhì)安全化技術(shù)在歐洲的應(yīng)用，推出的復(fù)合型（30余種）方法，是將安全、健康和環(huán)境三方面綜合在一起的工具系統(tǒng)。INSET工具箱測量化工過程本質(zhì)安全指數(shù)的工具依賴于它的一些性能指標(biāo)，這些指標(biāo)涉及一些相對簡單的計算，能夠快速評估很多過程。INSET工具箱推薦了一種多屬性決策分析技術(shù)，用來評估各種過程選項的總體固有安全性。它可以作為一種固有的安全度量工具有兩個原因。首先，它代表了一些公司和組織的共識；其次，它旨在一套工具箱內(nèi)同時考慮安全、健康和環(huán)境因素，與CCPS（Center for Chemical Process Safety，美國化工過程安全中心）/CWRT（Center for Waste Reduction Technologies，美國廢物減量技術(shù)中心）的建議一致。

EHS評價法：環(huán)境、健康、安全指標(biāo)法EHS（Index Based Environment，Health and Safety）由Koller等[21]在2000年提出。主要是針對精細(xì)化工和間歇反應(yīng)。該方法集成了安全、健康和環(huán)境三方面的評估，具有多種不同的算法，即使部分信息缺失，仍能實現(xiàn)部分計算功能。

i-Safe評價法：2002年，Palaniappan等[22，23]在PIIS和ISI的基礎(chǔ)上，針對兩者指標(biāo)區(qū)間水平不明顯的問題，開發(fā)了i-Safe指標(biāo)方法。該方法進(jìn)一步擴(kuò)充了原來的指標(biāo)范圍，增加了5個補(bǔ)充指標(biāo)，分別為危險化學(xué)指數(shù)（HCI）、危險反應(yīng)指數(shù)（HRI）、總體化學(xué)指數(shù)（TCI）、糟糕化學(xué)指數(shù)（WCI）和糟糕反應(yīng)指數(shù)（WRI）。在PIIS、ISI指標(biāo)分?jǐn)?shù)相近時，可以應(yīng)用補(bǔ)充指標(biāo)對其進(jìn)行評價。

FBISI評價法：Gentile等[24，25]于2003年開發(fā)了基于模糊理論的本質(zhì)安全指標(biāo)法FBISI（Fuzzy Based Inherent Safety Index），該方法針對指標(biāo)分析中得分的不靈敏性，運(yùn)用模糊邏輯和概率理論，將指標(biāo)分?jǐn)?shù)的子區(qū)間設(shè)置為連續(xù)性，從而在一定程度上降低了指標(biāo)分析中存在的主觀性和不確定性。該方法的創(chuàng)新性主要體現(xiàn)在兩個方面。首先，它將指標(biāo)分析的區(qū)間邊界模糊化了，從而更符合實際。其次，運(yùn)用if-then規(guī)則能夠系統(tǒng)地將定量數(shù)據(jù)與定性信息結(jié)合，使指標(biāo)分析具有邏輯性。該方法的缺點(diǎn)為區(qū)間內(nèi)函數(shù)形狀和參數(shù)的選擇不合理會導(dǎo)致結(jié)果的偏離，而且區(qū)間劃分不合理會導(dǎo)致函數(shù)復(fù)雜化而不易分析。

I2SI評價法：集成的本質(zhì)安全指標(biāo)法I2SI（Integrated Inherent Safety Index）是由Khan等[26，27]于2004年提出的。該方法綜合了兩種主要危險性評價指數(shù)HI（Hazard Index）和ISPI（Inherent Safety Potential Index），前者用于計算考慮安全控制措施后的潛在風(fēng)險破壞程度，后者考慮過程中的本質(zhì)安全性原則的適用性。根據(jù)HI和ISPI的結(jié)果，利用如下公式I2SI=ISPI/HI得到I2SI值。ISPI和HI的數(shù)值范圍均在1～200，該范圍給了足夠的靈活性來定量I2SI指數(shù)。顯而易見，I2SI值大于1是本質(zhì)安全應(yīng)用的積極響應(yīng)（本質(zhì)上更安全的選擇），I2SI值越大，本質(zhì)安全影響越明顯。I2SI集成了本質(zhì)安全基本原理，將本質(zhì)安全的應(yīng)用程度轉(zhuǎn)化成指標(biāo)形式來評價過程的本質(zhì)安全性，能夠直觀地顯示本質(zhì)安全原理的應(yīng)用對過程的影響。同時，它還考慮了控制系統(tǒng)指標(biāo)。該指標(biāo)適用于過程的整個生命周期，有很好的通用性。

除上述方法外，道化學(xué)火災(zāi)爆炸指數(shù)評價法和蒙德法（Dow F & E Index and Mond Index）也可用于過程的本質(zhì)安全性評價[28]。該方法是開發(fā)較早的用于評價過程安全性的定量方法，目前廣泛應(yīng)用于化工過程安全評價領(lǐng)域。該方法能較好地覆蓋化工廠中已存在的風(fēng)險和危害，但分析時需要過程的詳細(xì)信息，如工廠平面布置圖、工藝流程圖、過程類型、操作條件、設(shè)備及損失保護(hù)等。在過程設(shè)計的早期階段許多信息仍未知，因此，這兩類方法只能粗略地應(yīng)用于概念設(shè)計階段的本質(zhì)安全評價。

Gupta等[29]于2003年提出了一個基于PIIS的圖像式本質(zhì)安全化評價方法，該方法可用于區(qū)分同一終端產(chǎn)品的兩個或多個過程。主要步驟包括：考慮影響安全性的每一個重要參數(shù)以及對于最終產(chǎn)品所考慮的所有工藝路線，這些參數(shù)可能的取值范圍；計算每個流程路徑中的每一步并進(jìn)行比較；用一個總的本質(zhì)安全設(shè)計指標(biāo)隱含不同參數(shù)對過程的影響。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是將經(jīng)濟(jì)、監(jiān)管、污染控制、工人健康以及工作舒適度等方面全部考慮在內(nèi)，而且會引導(dǎo)設(shè)計者和決策者考慮過程特定變化，從而減少過程的不安全性。

Shan等[30]于2003年在EHS方法的基礎(chǔ)上，提出了一種分層評價方法。該方法揭示了安全性、健康性和環(huán)境性在不同層次的非理想程度。包括所涉及化學(xué)物質(zhì)的性質(zhì)（物質(zhì)層面）；物質(zhì)間可能的相互作用（反應(yīng)層面）；在所涉及的各種設(shè)備中物質(zhì)和操作條件相結(jié)合所產(chǎn)生的可能情況（裝備層面）；按照法律法規(guī)，安全運(yùn)行過程所需的安全性和終止技術(shù)（安全技術(shù)層面），該方法尤其適用于早期過程設(shè)計階段。

Srinivasan等[31]于2008年提出了本質(zhì)優(yōu)良性指示法IBI（Inherent Benign-ness Indicator）。該方法應(yīng)用主元分析法（PCA），分析影響危害的各種因素，從而揭示本質(zhì)最良性的路徑，克服指標(biāo)型方法中主觀劃分范圍、主觀設(shè)置權(quán)重、影響覆蓋面有限等不足。

Shariff等[32]于2012年提出了一種流程指標(biāo)法PSI（Process Stream Index）。從爆炸的角度來評估過程初始設(shè)計階段的本質(zhì)安全水平。根據(jù)爆炸的可能性對流程進(jìn)行優(yōu)先排序，使設(shè)計工程師可以很容易地識別出需要改進(jìn)的關(guān)鍵流程，從而避免或減少爆炸危險。

Gangadharan等[33]于2013年提出了一種適用于早期過程設(shè)計階段的綜合本質(zhì)安全指標(biāo)法CISI（Comprehensive Inherent Safety Index）。該方法根據(jù)化學(xué)、工藝和關(guān)聯(lián)分將設(shè)備安全評分分配給流程中的各個單元。化學(xué)分考慮過程單元中每種物質(zhì)的質(zhì)量加權(quán)分和化學(xué)反應(yīng)分；每個單元的化學(xué)混合物的反應(yīng)分分別計算；由于高度相互關(guān)聯(lián)單元的存在會增加危害，因此引入關(guān)聯(lián)分的概念。該方法可以直觀地顯示每個單元所造成的危險，是一種可以更清楚地了解過程真實安全狀況行之有效的方法。CISI的結(jié)果可以用于根本原因分析，從而找出最不安全的設(shè)備。

不同的安全指標(biāo)評價方法，其適用階段、評價范圍、特點(diǎn)等是不同的。各本質(zhì)安全指標(biāo)評價方法的比較，如表1.5所示[2]。可見，現(xiàn)有的本質(zhì)安全指標(biāo)評價方法主要用于概念設(shè)計階段的過程路徑選擇，為過程路徑?jīng)Q策提供依據(jù)。主要涵蓋物質(zhì)、反應(yīng)、過程、結(jié)構(gòu)危害評價，基本均采用指標(biāo)評分的方式。

根據(jù)表1.5的比較，本質(zhì)安全指標(biāo)評價方法向著全面性、綜合性、精確性等方向發(fā)展，積累了優(yōu)良的改進(jìn)思路和經(jīng)驗，但距離實現(xiàn)本質(zhì)的安全、健康和環(huán)境（Safety，Health and Environment， SHE）目標(biāo)尚具有很大的改進(jìn)空間。未來本質(zhì)安全評價指標(biāo)技術(shù)的趨勢可能有以下幾個方面：①綜合的本質(zhì)安全、健康、環(huán)境指標(biāo)；②克服指標(biāo)區(qū)間劃分和權(quán)重設(shè)置的主觀性；③強(qiáng)化指標(biāo)分析的邏輯性；④本質(zhì)安全指標(biāo)與過程設(shè)計方法、工具的緊密集成。

表1.5　本質(zhì)安全評價方法的比較　　

本質(zhì)安全評價指標(biāo)方法在過程本質(zhì)安全設(shè)計中占有重要地位，是定量衡量過程設(shè)計本質(zhì)安全水平的重要手段。因此，進(jìn)一步研究并開發(fā)綜合性強(qiáng)、適應(yīng)性廣、準(zhǔn)確性高、實效性好的本質(zhì)安全指標(biāo)方法具有重要的理論意義和實際價值。